Свечение клеток
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Не один десяток лет ученые пытаются разобраться в природе и механизме сверхслабого свечения клеток. Сложность проблемы усугубляется отсутствием сейчас, сколь-нибудь устоявшейся точки зрения на то, какие структуры клетки ответственны за это излучение, а также огромная трудность изучения этого чрезвычайно слабого излучения физическими средствами.
Трудно сказать точно, похож ли нынешний светлячок на своего предка двухтысячелетней давности, но известно, что свет, излучаемый им, заинтересовал еще Аристотеля. Причем настолько, что древнегреческий мыслитель весьма основательно описал его в своих трудах. Разумеется, дальше этого дело не пошло. Не по силам в те времена было объяснить такое странное явление, как «горение» живого организма, да еще не сжигающее его самого! Ведь и само-то горение смогли объяснить лишь спустя примерно 2300 лет, когда английский физик Р. Бойль установил, что для этого явления нужен кислород. Однако прошло еще несколько десятков лет, прежде чем ученым удалось обнаружить в светящихся организмах особые клетки, содержащие «горючие» вещества — люциферин и люциферазу. Причем горит-то, испуская свет, люциферин, а люцифераза —специфический фермент — способствует его окислению, и без нее свечения быть не может.
Такое яркое, видимое и простым глазом свечение, возникающее самопроизвольно, назвали экзотическим, или биолюминесценцией. Доказано и то, что это свечение живых организмов связано с кислородом: ведь без него окисление невозможно.
Так была разгадана загадка свечения некоторых живых организмов — насекомых и глубоководных рыб; окислению обязаны своим светом и гнилушки в лесу. Однако, когда мы говорим о сверхслабом свечении живых клеток, речь идет не о спонтанном, экзотическом свечении, присущем, как это видно из названия, лишь избранным организмам. Сегодня многие исследователи склонны считать сверхслабое свечение универсальным свойством клеток всех организмов — и растительных, и животных.
Еще в начале двадцатых годов прошлого столетия русский биолог А. Г. Гурвич изучал свечение живых клеток, лежащее за границей видимой части спектра, за его фиолетовой частью. Не располагая в то время столь умными и чуткими приборами, какими пользуются биологи ныне, он все же попытался доказать, что излучение существует в клетках живых организмов. На расстоянии одного сантиметра друг от друга он помещал параллельно два корешка растений и спустя некоторое время наблюдал ускорение деления клеток у растения более «слабого», а затем и у обоих корешков. Такое ускоренное деление клеток растений не прекращалось и тогда, когда между корешками ставилась кварцевая пластинка. Но стоило ее заменить стеклом обыкновенным, как взаимодействие прекращалось! Это говорило о том, что «общение» между корешками растений происходит с помощью каких-то лучей. Но каких? Может быть, ультрафиолетовых? Ведь сквозь обыкновенное стекло они не проникают.
Но вот что поразительно: до сего времени никакими физическими методами, никакими современными приборами, даже самыми «всевидящими», ультрафиолетовое свечение клеток увидеть не удается. Не удается, несмотря на то, что ученые потратили на такие попытки немало времени и сил. Доктор биологических наук А. И. Журавлев отдал таким попыткам более четырех лет, его коллега, тоже доктор биологии, С. В. Конев — двенадцать.
Вообще говоря, может быть, и не следовало так подробно останавливаться на разборе этого «то ли свечения, то ли нет». Но дело в том, утверждают ученые, что именно работы Гурвича побудили исследователей попытаться обнаружить клеточное излучение с помощью современных научных методов. И сверхслабое свечение клеток, правда в диапазоне видимого (а не ультрафиолетового, как полагал Гурвич) света, удалось таки зафиксировать чувствительными физическими приборами. У растений свечение зарегистрировали итальянские ученые Колли и Фаццини, а у млекопитающих — русские биофизики Б. Н. Тарусов, А. И. Поливода и А. И. Журавлев.
Мы стояли рядом с большим белым, напоминающим холодильник« ЗИЛ» шкафом. По внешнему виду никак нельзя было определить, что это устройство собой представляет. Все было внутри.
— С помощью этой установки мы смогли доказать, что живые ткани светятся, — Журавлев перешел от историй к исследованиям последних лет.— И испускают они именно видимый свет, а не ультрафиолетовое излучение. Видимый, хотя и чрезвычайно слабый. Исследования мы начали с липидов. Ведь я — специалист по липидам и, естественно, попытался в первую очередь изучить именно их. Но была и другая причина, почему мы выбрали жиры: они окисляются интенсивнее, чем какие-либо другие компоненты тканей живого организма. Значит, и свечение у них, как нам казалось, должно быть сильнее.
Для начала мы взяли подсолнечное масло, и наши ожидания оправдались! Свечение оказалось столь ярким (относительно, конечно), что его можно было, вероятно, заметить и с помощью прибора значительно менее чуткого, чем этот. Однако вначале никто из наших коллег не хотел верить в такое «чудо», ведь считалось, что жиры не испускают свет. Но спорить против факта очевидного было невозможно: жиры светились, и светились в видимой, а не ультрафиолетовой части спектра.
Потом мы принялись за исследование печени мышей и крыс. Свечение этих органов оказалось более слабым, чем у жиров, однако наша установка вполне надежно отмечала его, как и тот факт, что находится оно также в видимой части спектра. Затем попытались исследовать на свечение кровь животных, но тут нас вначале постигла неудача. Почему? Как потом выяснилось, виновниками неудач было несколько факторов. Прежде всего — слабость свечения самой крови из-за присутствия в ней гемоглобина. Он ведь действует тут, как огнетушитель при возникновении пожара: тушит его в самом начале. Вероятно, это явление и помешало многим ученым с полной достоверностью зафиксировать свечение цельной крови. Впрочем, не только крови, но и мышц. Ведь в них тоже есть вещество похожее на гемоглобин,— миоглобин.
Однако исследования, которые проводились на протяжении многих лет А. Е. Закаряном, Б. Н. Тарусовым, А. И. Митрофановым и мной, привели к мысли, что возможно свечение не самой цельной крови, а ее плазмы или сыворотки. Иначе говоря, крови, из которой с помощью центрифуги удалены эритроциты и, следовательно, гемоглобин. Это и подтвердилось: сыворотка, или плазма крови светилась раз в десять интенсивнее, чем ткани печени.
Слушая Александра Ивановича, я думал о том, как все-таки просто выглядит все уже открытое! Люди тратят на открытие десятилетия, всю жизнь, а оно порой укладывается в полстраницы текста. Так и в случае с открытием сверхслабого, или метаболического свечения в живых тканях. Сколько ученых стремились его обнаружить! Сколько усилий было потрачено на это! И вот оно, как говорится, в наших руках. Но и это ведь еще не все — необходимо познать природу открытого явления, попытаться внедрить его в практику, в жизнь людей.
—Что же в крови человека является источником света? — между тем продолжает Александр Иванович. Известные биохимические реакции, что происходят в организме (а значит, и в крови) в результате его жизнедеятельности? Опыты показали: нет, энергия, выделяющаяся в них для этого слишком мала. Сверхслабое свечение живого организма происходит за счет липидов — таков вывод профессоре Б. Н. Тарусова и других известных биофизиков. Эксперименты показали, что именно липиды подвергаются свободно-радикальному окислению в живом организме. А что такое свободный радикал? Это молекула, осколок молекулы или даже атом у которого на внешней, валентной орбите остался один несвязанный, свободный электрон. Частица с таким электроном очень легко вступает в реакцию с себе подобными, образуя химическую связь и выделяя при этом избыток электромагнитной энергии. Вот эти-то возбужденные электронные состояния и являются, упрощенно говоря источниками излучения, хемилюминесценции.
Но так как свободно-радикальному окислению легче всего подвергаются жиры жирные кислоты и еще некоторые биологически важные молекулы, то и свечение наиболее заметным бывает именно в жирах и, благодаря им, в сыворотке, или плазме крови. Белки же и аминокислоты практически не обладают биохемилюминесценцией.
Но как же все-таки удается уловить это «неуловимое» сверхслабое, метаболическое свечение крови? Выяснилось, что сам процесс «поимки» излучения далеко не прост, потому что требует тщательного соблюдения множества условий, необходимых для точного определения интенсивности света, начиная буквально с того момента, когда игла шприца касается вены животного, чтобы взять 8—10 миллилитров крови. Предельная стерильность, ибо малейшее загрязнение крови обязательно скажется на характере свечения сыворотки, или плазмы. Стабильность температурных и механических условий. Но самое главное — защита взятого образца от малейшего засвечивания.
Сыворотку получают, добавляя в кровь несколько капель гепарина или подвергая ее центрифугированию. Когда сыворотка готова, ее переносят к установке в специальном светонепроницаемом контейнере. Если исследование сыворотки, или плазмы предполагается проводить не сразу, то ее хранят в холодильнике при температуре 3—10 градусов, но не более двух суток! Приступая к непосредственным измерениям, сыворотку наливают в цилиндрическую кювету из пирекса и окружают водяной рубашкой, поддерживая там температуру в 36—38 градусов Цельсия.
Потом все это сооружение помещают в верхнюю часть светонепроницаемой камеры, причем так, чтобы дно кюветы с сывороткой находилось точно над катодом фотоумножителя — прибора, которому предстоит регистрировать световые лучи в плазме, или сыворотке. При этом камера с сывороткой отделяется от камеры с фотоумножителем особым фотозатвором.
И вот все подготовлено к исследованию. Казалось бы, можно определить свечение объекта, но… Ведь к нему может присоединиться свечение всего, что окружает объект,— хотя бы той же кюветы или воды! Следовательно, и это необходимо учесть. Поэтому первые десять включений установки отводятся на то, чтобы замерить все посторонние шумы. (Сам экспонат на это время закрыт фотозатвором.) Все десять измерений шумов преходящих складываются и находится их средний результат. Он-то и будет исключен из показателей прибора при измерении свечения объекта.
— Открытие сверхслабого свечения позволяет изучать физико-химические реакции в клетке без ее разрушения,— говорит А. И. Журавлев. — Наша установка помогла нам наблюдать свечение внутренних органов живых мышей и крыс. Более того, уже доказано, что определяя интенсивность свечения плазмы, или сыворотки крови человека, мы можем помочь врачам в диагностике многих болезней.
Автор: В. Кирсанов.